接触角 - 图文

原理概述

1

接触角定义

当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图1所示。

图1 接触角

假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，即

?S/A??S/L??L/Acos? （1）

式中γS/A、γL/A、γS/L 分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ为液体与固体间的界面和液体表面的切线所夹（包含液体）的角度，称为接触角（contact angle），θ在00-1800之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度，θ＝90o可作为润湿与不润湿的界限，θ<90o时可润湿，θ>90o时不润湿。 2

润 湿

润湿(wetting)的热力学定义是，若固体与液体接触后体系（固体和液体）的自由能G降低，称为润湿。自由能降低的多少称为润湿度，用WS/L来表示。润湿可分为三类：粘附润湿（adhesional wetting）、铺展润湿（spreading wetting）和浸湿（immersional wetting）。可从图2看出。

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图2 三类润湿

（1） 粘附润湿

如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的WAS/L为：

WAS/L＝γS/A+γL/A-γS/L （2）

（2） 铺展润湿

当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1m2液面和1m2固－液界面，则此过程的WSS/L为：

WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L （3）

（3） 浸湿

当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面，则此过程的WIS/L为：

WIS/L＝γS/A-γS/L （4）

对上述三类润湿，γS/A和γS/L无法测定，如何求WS/L？分别讨论如下： ①粘附润湿

将（1）式代入（2）式，可得：WAS/L＝γL/A（1+cosθ） （5）

因液体表面张力γL/A为已知，故只需测定接触角θ即可求出WAS/L。 ②铺展润湿

将（1）式代入（3）式，可得：WSS/L＝γL/A（cosθ-1）

S

因cos≤1，故WS/L≤0。但WS/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了（1）式，此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面，这就表示液滴与固面不成平衡态，所以不能将（1）式代入（3）式中。这里应该指出，不能将铺展润湿认为θ＝00，而在此情况下根本没有接触角。θ＝00的正确理解应是有一个角，恰好等于0o。

设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面上即有一层极薄的液体。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低＝

P0RT??dlnP0。因此，WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L

L/A去掉，即得

P0＝RT??dlnP

0（6）

③浸湿

将式（6）中的γ

WIS/L：

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WIS/L＝γ

P0S/A -γS/L

＝RT??dlnP

0 （7）

由（5）式可知，当θ＝0时，cosθ＝1，WAS/L＝2γL/A，自由能降低为最大，则认为固体完全被液体润湿；当θ＝180o时，cosθ＝-1，WAS/L＝0，自由能降低为0，则固体完全不被液体润湿，即完全不润湿。这种情况是理想的，因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。

3

接触角的测定

o

对于理想的平固体表面，当液滴在表面达平衡后。只有一个符合Young方程的接触角。但实际固体表面是非理想的，因而会出现滞后现象，致使接触角的测量往往很难重复。但经过精心制备和处理的表面，有可能得到较重复的数据，特别是高分子的表面。表面的制备和处理的目的是要得到较光滑、干净的理想表面，但具体的手续因样品而异，这里不作更多的介绍。这里主要介绍一些常用的接触角测定方法，它们都是针对气—液—固体系的接触角而设计的。但其中有些方法，只需略加修改，亦适用于液—液—固体系接触角的测定。 1. 量角法

液滴角度测量法是测量接触角的最常用的方法之一，如图3（a，b）所示。该方法是将固体表面上的液滴，或将浸入液体中的固体表面上形成的气泡投影到屏幕上，然后直接测量切线与相界面的夹角，直接测量接触角的大小。

（a）停滴

（b）停泡

图3 量角法示意图

如果液体蒸气在固体表面发生吸附，影响固体的表面自由能，则应把样品放入带有观察窗的密封箱中，待体系达平衡后再进行测定。此法的优点是：样品用量少，仪器简单，测量方便。准确度一般在土1o左右。 2. 量高法

如果液滴很小，重力作用引起液滴的变形可以忽略不计，这时的躺滴可认为是球形的一部分，如图4所示。接触角可通过高度的测量按下式计算：

?2htan? （8）

2d式中h是液滴高度，d是滴底的直径。若液滴体积小于10-4mL，此方法可用。若接触角小于90o，则液滴稍大亦可应用。

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图4 量高法示意图

液滴在纤维上的接触角也可用量角法测量，把纤维水平拉直．置于样品槽内，然后投影到电脑屏幕，直接测定液滴与纤维表面的夹角。如果液滴很小，接触角也可用量高法测量，通过式（8）来计算。

实际固体表面几乎都是非理想的，或大或小总是会出现接触角滞后现象．因此，需同时测定前进角和后退角。对于躺滴法，可用增减液滴体积的办法来测定。增加液滴体积时测出的是前进角，如图5(a)所示；减少液滴体积时为后退角，如图5(b)所示。

（a）前进角 （b）后退角

图5 前进角和后退角的测定方法

为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动和变形，在测定时可将改变液滴体积的毛细管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值。

决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。如，固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。对于一定的固体表面，在液体液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。

仪器组成

1 技术指标

1. 测量方式：量角法，量高法，悬滴法； 2. 测量范围：0～180o；

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3. 测量精度：0.1或0.5；

4. 温度范围：室温；选配电控温加热平台(室温～120 o) 5. 图像放大率：55pixel/mm～315pixel/mm； 6. 固体试样尺寸： 100×100mm； 7. 主机外形尺寸： 400×250×250mm 8. 总功率：220V 200W(包括计算机)； 2 2.1

oo

系统组成 硬件组成

接触角测量仪主机平台，蠕动加样泵，

CCD摄像头，连续变倍系统，手动CCD倾角平台如图6所示

图6 CCD摄像头，连续变倍系统，手动ccd倾角平台

12V变压器电源，如图7所示

图7 12V变压器电源

CCD USB连接线一根，如图8所示

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